遼中地區(qū)酸雨特征及主控因子研究＊

張新民 孫新章 張 萌

(1.中國環(huán)境科學(xué)研究院,北京100012;2.中國21世紀(jì)議程管理中心,北京100038)

遼中地區(qū)酸雨特征及主控因子研究＊

張新民1孫新章2張 萌1

(1.中國環(huán)境科學(xué)研究院,北京100012;2.中國21世紀(jì)議程管理中心,北京100038)

近年來,以遼中工業(yè)群為代表的北方地區(qū)酸雨污染問題備受關(guān)注,對(duì)區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展正在形成越來越明顯的影響。為了深入了解遼中工業(yè)群地區(qū)酸雨污染特征,本研究利用XHARS30C酸雨自動(dòng)采樣儀系統(tǒng)采集了遼中地區(qū)2007年2月-2008年1月為期1年的降水樣品,通過對(duì)降水樣品pH值、主要陰陽離子組成的測(cè)定,分析了遼中地區(qū)酸雨的特征以及影響降水酸度的主要因素。結(jié)果表明,觀測(cè)期間遼中地區(qū)降水pH值平均為5.15,酸雨頻率為69.4%;雨水的主要離子組成為SO42-、NO3-和NH4+、Ca2+、Mg2+;在降雨過程中5種離子中的SO42-、NO3-、NH4+、Mg2+隨降雨增加濃度呈U型變化,而Ca2+無明顯規(guī)律;SO42-為主導(dǎo)性酸性離子,但NO3-對(duì)雨水酸度的影響不可忽視;遼中降水中起主要中和作用的是揚(yáng)塵中的Mg化合物和與人類活動(dòng)密切相關(guān)的NH3,揚(yáng)塵中含Ca化合物中和作用相對(duì)較小。

酸雨;離子組成;主控因子;中和作用

酸雨污染目前已成為我國重要的區(qū)域大氣環(huán)境問題之一[1-2]。根據(jù)有關(guān)研究結(jié)果,早在1995年我國由于酸雨和二氧化硫污染造成農(nóng)作物、森林和人體健康等方面的經(jīng)濟(jì)損失就達(dá)1 100多億元,接近當(dāng)年國民生產(chǎn)總值的2%,酸雨成為制約我國經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展的重要因素之一。目前我國酸雨主要為硫酸型酸雨,其中SO42-和NO3-以及NH4+和Ca2+是主要的陰陽離子,且濃度遠(yuǎn)高于歐洲和北美[3]。與過去幾年相比,目前我國區(qū)域酸雨呈以下演變特點(diǎn):①南方酸雨區(qū)范圍無明顯變化[4],酸度則增減不一,如武漢和黃山等南方部分站點(diǎn)均出現(xiàn)有酸雨系統(tǒng)觀測(cè)以來的最低年均降水pH值[5],而總體來看湖南省南部、貴州省中部、四川省東北部、廣西自治區(qū)西北部酸雨污染又有所減輕[6];②強(qiáng)酸雨區(qū)范圍為1994年以來最大,但酸度有所減弱;③北方酸雨區(qū)呈持續(xù)擴(kuò)展趨勢(shì)[5,7-9]。由于長期以來我國對(duì)于酸雨的研究主要集中在南方地區(qū),而北方地區(qū)相對(duì)較為薄弱,這對(duì)日趨嚴(yán)重的北方地區(qū)酸雨控制較為不利。遼中工業(yè)群是北方的重要工業(yè)基地,近幾年其酸雨問題在北方較有代表性?；诖?本研究通過為期一年的酸雨強(qiáng)化監(jiān)測(cè)對(duì)遼中地區(qū)酸雨污染特征及主控因子進(jìn)行了研究,以期為該地區(qū)酸雨防控提供科學(xué)依據(jù)。

1 樣品采集及分析方法

采樣地點(diǎn)設(shè)在遼寧省遼中縣水文站內(nèi),北緯41°27′24.40″,東經(jīng) 122°39′17.48″。遼中縣位于遼寧中部 ,沈陽市西南,氣候溫和,四季分明,年平均氣溫8.1℃,地勢(shì)平坦,南北海拔比降6 m。

采樣期間為2007年2月-2008年1月,共采集降水樣品36次,其中包括降雪4次。

酸雨采樣儀器為XHARS30C酸雨自動(dòng)采樣儀(先河科技生產(chǎn))。XHARS30C型酸雨自動(dòng)采樣儀工作原理:感雨器接收到降雨信號(hào)后,單片機(jī)控制系統(tǒng)將防塵蓋及電磁閥1打開,同時(shí)記錄開始降雨時(shí)間場(chǎng)次等信息,采雨漏斗開始采雨,雨水通過接雨漏斗進(jìn)入計(jì)量瓶,計(jì)量瓶中的液位達(dá)到約7 ml(即0.1 mm降雨量)時(shí),觸發(fā)液位傳感器使電磁閥2打開,電磁閥1關(guān)閉,雨量計(jì)數(shù)器記數(shù)加1(如果采用外部記數(shù)則用外置翻斗雨量計(jì)記數(shù)),記數(shù)后計(jì)量瓶中的雨水將裝入采雨瓶(材料為聚丙烯)中,當(dāng)前瓶滿后,轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動(dòng)換到下一個(gè)采雨瓶,如此反復(fù)。雨停后,如果10 min內(nèi)一直沒有降雨,采樣器自動(dòng)關(guān)蓋,同時(shí)保存降雨結(jié)束時(shí)間雨量等信息。遼中酸雨采樣采用的是按降雨場(chǎng)次采雨,每場(chǎng)降雨作為一條采樣品采集記錄。每次采完樣后用離子水清洗酸雨自動(dòng)采樣儀及采樣瓶。

雨水樣品采集后經(jīng)中速定量濾紙過濾,立即測(cè)定pH值和電導(dǎo)率,隨后在4℃冰箱中保存。降水的離子組分用離子色譜(DIONEX,USA)測(cè)定,其中陽離子用ICS-1 000離子色譜測(cè)定,陰離子用ICS-2 000離子色譜測(cè)定。降雪樣品采用同等材質(zhì)(材料為聚丙烯)的桶人工采集。采樣桶高31 cm,桶口直徑33 cm,桶底直徑23 cm,每次用3個(gè)桶同時(shí)采集以增加樣品代表性,融化后處理同雨水樣品。

2 結(jié)果與討論

2.1 采樣期間降水量及降水pH值分析

采樣期間降水量為381.9 mm,季節(jié)變化見表1?？梢钥闯?在整個(gè)觀測(cè)期間,2007年7月-10月降水較多,為257.6 mm,占總降水量的67.5%。

表1 2007年2月-2008年1月遼中降水分布情況Tab.1 The distribution of precipitation in Liaozhong from Feb.2007 to Jan.2008

采樣期間36次降水的pH范圍介于3.40-7.34,平均值為5.15。其中,pH值低于4.0的強(qiáng)酸性降水有4次,占總降水次數(shù)的11.1%;pH值低于5.6的降水(酸雨)25次,占總降水次數(shù)的69.4%。全年來看,遼中地區(qū)屬于弱酸雨,污染程度屬于輕-中度污染。分季節(jié)來看,冬、夏季酸雨污染較為嚴(yán)重,尤其是冬季屬強(qiáng)酸雨季節(jié);春、秋季污染則相對(duì)較輕,詳見圖1。

2.2 降水中的離子構(gòu)成

表2為雨水樣品中各離子組成的最低、最高和平均離子濃度。由表可知,各離子濃度的變化范圍較大,各離子在采樣期間平均濃度的順序?yàn)?>>>>>>>K+>F-。無論是平均濃度還是最大濃度均最高,分別為 228.04μeq/L、862.23μeq/L,表明S是遼中地區(qū)降水中主導(dǎo)性的酸性離子。另一個(gè)酸性離子在降水中的濃度也較高,為90.01μeq/L和分別占陰離子總和的60%和24%。陽離子中濃度最高,為192.08μeq/L,其次是(132.52μeq/L)和(131.00μeq/L),、、分別占陽離子總和的34%、24%、24%。上述結(jié)果表明和、+是影響遼中地區(qū)降水化學(xué)性質(zhì)的主導(dǎo)性陰、陽離子。

圖1 2007年2月-2008年1月遼中監(jiān)測(cè)點(diǎn)pH變化情況Fig.1 Distribution of pH in Liaozhong precipitation from Feb.in 2007 to Jan.in 2008

本研究與北京、廣州、佛山主要酸雨離子濃度比較見表3,可以看出本研究中的最大值遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于廣州,而平均值則高于廣州低于北京和佛山;平均值均高于廣州和北京,這與監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)周邊都是農(nóng)田有關(guān);而和的平均值均高于廣州,與南北方土壤酸性差異密切相關(guān)。

2.3 降水過程中離子濃度變化情況

選取3次pH比較接近的降水對(duì)降水過程中離子濃度變化進(jìn)行研究。3次降水分別為2007年8月12日(編號(hào)為LZ070812,pH為 5.35)、2007年 10月 5日(編號(hào)為LZ071005,pH為 5.15)和 2007年 10月 27日(編號(hào)為LZ071027,pH為5.17),其中LZ070812共有3個(gè)降水樣品,LZ071005有5個(gè)降水樣品,LZ071027有4個(gè)降水樣品。3次降水過程中主要離子變化情況分別如圖2、圖3和圖4所示。從圖中可以看出,3次降水過程中和變化規(guī)律一致,均呈U形變化,即開始濃度較高,隨著降雨量的增加,濃度有所下降,最后又稍有回升;Ca2+在3次降水中的變化則各不相同,沒有明顯規(guī)律。

表2 主要離子分布(μeq/L)Tab.2 Concentration distribution of main ions(μeq/L)

圖2 2007年8月12日降水過程中主要離子變化情況Fig.2 Change of the main ions in the process of precipitation on 12th Aug,2007 in Liaozhong

圖3 2007年10月5日降水過程中主要離子變化情況Fig.3 Change of the main ions in the process of precipitation on 5th Oct,2007 in Liaozhong

2.4 降水酸度的主控因子

在降水化學(xué)組成中SO42-和NO3-是主要的酸性離子,而且離子濃度大小與人為排放的 SO2和NOx有關(guān)。Thomas研究[13]認(rèn)為雨水中的NO3-濃度與大氣中的NOx濃度成正相關(guān)。本研究中SO42-/NO3-介于0.24-8.32之間,平均為3.19。SO42-/NO3-范圍較寬與采樣點(diǎn)較容易受氣象條件和周邊污染源傳輸?shù)挠绊懹嘘P(guān)。2次降水的SO42-/NO3-比值小于1說明采樣期間遼中地區(qū)降水的主導(dǎo)性酸性離子是SO42-,但少數(shù)情況下NO3-是主導(dǎo)性酸性離子。值得注意的是,2次降水的SO42-/NO3-<1情況分別出現(xiàn)在2007年11月和12月(圖5),正值當(dāng)?shù)夭膳竟?jié),該現(xiàn)象與國家控制SO2排放政策有關(guān),說明同時(shí)控制NOx排放也非常重要。

2.5 堿性揚(yáng)塵對(duì)降水中和作用

在我國北方降雨中堿性揚(yáng)塵中的CaCO3和CaO對(duì)雨水酸度中和現(xiàn)象很普遍[14-15],甚至在廣州也發(fā)現(xiàn)同類現(xiàn)象[10]。遼中地區(qū)土壤多為褐土等堿性土壤,為了評(píng)價(jià)各堿性物質(zhì)對(duì)遼中雨水酸度的中和作用,本文采用Possanzini提出的中和因子算法來進(jìn)行定量評(píng)價(jià)[16]。計(jì)算公式為:

圖5 觀測(cè)期間/N變化Fig.5 The change ofduring observation time

式中,NF為中和因子,Xi為需要評(píng)價(jià)的離子。

2007年遼中地區(qū)Ca2+、Mg2+和NH4+對(duì)酸雨的中和因子分別為0.42、0.68和0.63(表4),Mg2+的中和因子最大,這表明遼中降水中起主要中和作用的是揚(yáng)塵中的Mg化合物和與人類活動(dòng)密切相關(guān)的NH3,揚(yáng)塵中含Ca化合物中和作用相對(duì)較小。

表4 2007年酸雨中Ca2+、Mg2+和NH4+的中和因子NF Tab.4 NF for Ca2+,Mg2+and NH4+in the acid rain of 2007

3 結(jié) 論

(1)采樣期間遼中降水pH范圍介于3.40-7.34,平均值為5.15,酸雨頻率為69.4%,遼中地區(qū)屬于弱酸雨,污染程度屬于輕-中度污染。分季節(jié)來看,冬、夏季酸雨污染較為嚴(yán)重,春、秋季污染相對(duì)較輕。

(2)各離子在采樣期間平均濃度的順序?yàn)?SO42->NH4+>Ca2+>Mg2+>Na+>NO3->Cl->K+>F-。其中SO42-、NO3-和 NH4+、Ca2+、Mg2+是影響遼中地區(qū)降水化學(xué)性質(zhì)的主導(dǎo)性離子,平均離子濃度為228.04μeq/L、90.01μeq/L和192.08μeq/L、132.52μeq/L、131.00μeq/L。與其他研究相比,本研究中Mg2+濃度較高,其可能原因是在監(jiān)測(cè)點(diǎn)附近的冶煉廠影響所致,局部小環(huán)境導(dǎo)致降水中Mg2+較高。

(3)在降水過程中 ,SO42-、NO3-和 NH4+、Mg2+開始濃度較高,隨著降雨量的增加,濃度有所下降,最后又稍有回升,呈U形變化,而Ca2+則沒有明顯規(guī)律。

(4)采樣期間遼中地區(qū)降水的主導(dǎo)性酸性離子是SO42-,但在11月和12月份出現(xiàn)了2次NO3-是主導(dǎo)性的酸性離子,這說明在控制SO2排放的同時(shí)還必須高度重視NOx的排放控制。

(5)遼中的堿性揚(yáng)塵對(duì)降水具有明顯中和作用,起主要中和作用的是揚(yáng)塵中的Mg化合物和與人類活動(dòng)密切相關(guān)的NH3,揚(yáng)塵中含Ca化合物中和作用相對(duì)較小。

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Characters and Primary Factors of Acid R ain in Liaozhong,Liaoning Province

ZHANG Xin-min1SUN Xin-zhang2ZHANG Meng1
(1.Chinese Research Academy of Environmental Science,Beijing 100012,China;2.The Administrative Center for China’s Agenda 21,Beijing 100038,China)

In recent years,acid rain in north China especially in Liaozhong urban industrial agglomeration of Liaoning Procince has attracted more and more attention.Acid rain is becoming one of the main adverse influencing factors on local economic and social development.T o understand the characteristics acid rain pollutionof Liaozhong industrial agglomeration,all acid rain sampleswere collected by XHARS30C acid rain automatic sampler during the period from Feb.2007 to Jan.2008 for determining pH values and major cation of acid rain,then the characteristics and primary factors of acid rain inLiaozhong were analyzed.The results showed that the mean pH values of precipitation during observation time was 5.15,and 69.4%of precipitation were acid rain;the ionic composition analysis indicated that SO42-,NO3-,NH4+,Ca2+and Mg2+were the dominant ions in the precipitation;the concentration of SO42-,NO3-,NH4+and Mg2+in different process during one precipitation presented as a U-shape changing pattern,while Ca2+did not show such an obvious changing pattern;SO42-is the dominant acidic ion of the precipitation inLiaozhong,but NO3-has become more and more important to the acidityof precipitation;dust sourced Mg2+and anthropogenic emission NH3appeared to play a more significant role than dust sourced Ca2+in neutralizing the acidity in precipitation.

acid rain;ionic composition;primary factor;neutralization

X517

A

1002-2104(2010)10-0142-05

10.3969/j.issn.1002-2104.2010.10.024

2010-05-12

張新民,博士,副研究員,主要研究方向?yàn)榇髿饣瘜W(xué)和大氣污染控制

＊ 國家“973”項(xiàng)目(編號(hào):2005CB422208)資助。

(編輯:李 琪)